parametry kinematyczne wybranych wzorcowych sekwencji

Aktualne Problemy Biomechaniki, nr 9/2015
51
Joanna HAJOK, Studenckie Koło Naukowe Biomechatroniki „BIOKREATYWNI”,
Wydział Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Śląska, Zabrze
Jacek JURKOJĆ, Piotr WODARSKI, Andrzej BIENIEK, Marek GZIK, Katedra
Biomechatroniki, Wydział Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Śląska, Zabrze
PARAMETRY KINEMATYCZNE WYBRANYCH WZORCOWYCH
SEKWENCJI RUCHOWYCH WYKORZYSTYWANYCH W TERAPII
KLINICZNEJ
Streszczenie: Artykuł prezentuje wynik analizy wielkości kinematycznych
wybranych sekwencji ruchowych wykonanych przez doświadczonego
fizjoterapeutę. Badania przeprowadzono z zastosowaniem systemu do analizy
ruchu MVN BIOMECH w Centrum Pediatrii im. Jana Pawła II w Sosnowcu.
W ramach badań wyznaczono zakresy ruchu dla stawu barkowego, łokciowego
oraz nadgarstkowego w czasie trwania każdej sekwencji ruchowej oraz
przeprowadzono analizę porównawczą znormalizowanych czasowo wielkości
kinematycznych z podziałem na fazy ruchu. Wyniki pomiarów będą pomocne
przy projektowaniu gier terapeutycznych w środowisku wirtualnej rzeczywistości,
służących do rehabilitacji dzieci z zaburzeniami neurologicznymi.
Słowa kluczowe: kończyna górna, parametry kinematyczne, Technologie Wirtualnej
Rzeczywistości, system Cave
1. WSTĘP
Poprawa motoryki kończyn stanowi jeden z priorytetów w rehabilitacji dzieci, gdyż
wpływa na rozwój funkcji sensomotorycznych oraz poznawczych [1]. Wirtualna
rzeczywistość jest wciąż nowością w zastosowaniu rehabilitacyjnym. Posiada jednak szereg
zalet, dzięki którym rehabilitacja z jej wykorzystaniem może stać się dla dzieci dużo bardziej
atrakcyjna oraz skuteczniejsza. W połączeniu z systemami do analizy ruchu pozwala na
uzyskanie obiektywnej oceny wykonywanych ćwiczeń w postaci danych liczbowych, dzięki
której możliwe jest porównanie postępów rehabilitacji. Zastosowanie technologii wirtualnej
rzeczywistości w rehabilitacji, poza usprawnianiem motorycznym, korzystnie wpływa
również na rozwój strefy intelektualnej oraz emocjonalnej. Dodatkowo umożliwia tworzenie
interaktywnych scenariuszy dopasowanych do indywidualnych potrzeb i preferencji dzieci
w różnym przekroju wiekowym, dzięki czemu wykonują one chętniej większą liczbę
powtórzeń ćwiczenia z większym zaangażowaniem [2,3,5]. Istnieje zatem potrzeba
projektowania aplikacji, które umożliwią rozpoczęcie efektywnej rehabilitacji poprzez
zabawę. W tym celu należy opracować wzorce ruchowe dla wyselekcjonowanych sekwencji
ruchowych, które następnie można zastosować w grach terapeutycznych, rozwijających
zdolności motoryczne u dzieci.
J. Hajok, J. Jurkojć, P. Wodarski, A. Bieniek, M. Gzik
52
2. CEL BADAŃ
Celem badań jest analiza wielkości kinematycznych wyselekcjonowanych przez
fizjoterapeutę sekwencji ruchowych. Wyniki badań będą przydatne przy opracowywaniu gier
dedykowanych diagnostyce i rehabilitacji dzieci z zaburzeniami neurologicznymi
z wykorzystaniem technologii wirtualnej rzeczywistości.
3. METODYKA BADAŃ
W badaniach wzięła udział magister fizjoterapii, na co dzień pracująca w Centrum
Pediatrii im. Jana Pawła II w Sosnowcu i zajmująca się rehabilitacją dzieci z zaburzeniami
neurologicznymi. Podczas pomiarów zarejestrowano trzykrotnie 6 sekwencji ruchowych,
które zostały opisane w tabeli 1. Sekwencje ruchowe wybrano tak, aby angażowały zarówno
małą jak i dużą motorykę.
Badania zostały przeprowadzone przy wykorzystaniu systemu do analizy ruchu MVN
Biomech firmy Xsens wyposażonego w akcelerometryczne czujniki ruchu. Czujniki zostały
umieszczone na ciele badanej osoby tak, aby był możliwy pomiar ruchu każdego
z segmentów kończyny górnej. Oprogramowanie pozwoliło na rejestrację ruchu oraz wstępną
analizę wyników [4].
Tab. 1. Opis wykonywanych sekwencji ruchowych
Nr sekwencji ruchu
1
2
3
4
5
6
wykonywany ruch
przeniesienie wyprostowanych kończyn górnych nad głowę
ruchem odwodzenia w stawie barkowym
odwracanie i nawracanie ręki
przemieszczenie kończyn górnych w przód
naprzemienne przenoszenie kończyn górnych nad głowę ruchem
zginania i odwodzenia w stawie barkowym przy równoczesnym
zginaniu u prostowaniu w stawie łokciowym
sięganie ponad głową
zginanie i prostowanie nadgarstka
4. ANALIZA WYNIKÓW
Przeprowadzone badania pozwoliły na wyznaczenie wielkości kinematycznych
opisujących ruch kończyny górnej podczas wykonywania każdej z sekwencji ruchowej.
W ramach niniejszej pracy porównano zakresy ruchu w stawach barkowym i łokciowym dla
wszystkich sekwencji ruchu oraz dokonano analizy kinematyki ruchu w stawie barkowym
i łokciowym dla sekwencji nr 4.
4.1. Wyznaczenie zakresów ruchu
W celu analizy zakresów ruchu w stawach wyznaczono wartości maksymalne oraz
minimalne kątów w stawach kończyny górnej dla ruchów w nich występujących podczas
wykonywania każdej z trzech prób danej sekwencji. W kolejnym kroku uśredniono te
wartości oraz obliczono zakres ruchu dla stawu barkowego, łokciowego oraz nadgarstkowego
dla każdej sekwencji ruchowej (Rys. 1).
Parametry kinematyczne wybranych wzorcowych sekwencji ruchowych…
53
Rys. 1. Zakres ruchu w poszczególnych sekwencjach ruchu dla zginania/prostowania (E,F)
i odwodzenia/przywodzenia (A,B) w stawie barkowym oraz zginania/prostowania (C,D) w stawie
łokciowym
Stwierdzono, że w większości ruchy były wykonywane symetrycznie – różnice
w zakresach kątowych między prawą a lewą kończyną górną wahają się w granicy 10º.
Wyjątek stanowi ruch przywodzenia/odwodzenia stawu barkowego podczas wykonywania
sekwencji ruchu nr 2, gdzie różnica wynosi 30º oraz ruch zginania/prostowania stawu
łokciowego podczas wykonywania sekwencji ruchu nr 2 - 20º.
54
J. Hajok, J. Jurkojć, P. Wodarski, A. Bieniek, M. Gzik
4.2 Badania kinematyki wybranych sekwencji ruchowych
W kolejnym etapie przeprowadzono analizę przebiegów kątowych w stawach z podziałem
na fazy ruchu, uwzględniając trzy próby wykonania każdej z sekwencji ruchowej. Rysunek 2
przedstawia porównanie opracowane dla sekwencji nr 4 dla kończyny lewej.
Rys. 2. Przebieg zmian wartości kątowych zginania/prostowania (C,D) i przywodzenia/odwodzenia (A,B)
w lewym stawie barkowym oraz zginania/prostowania (E,F) w lewym stawie łokciowym podczas
wykonywania sekwencji ruchu nr 4 w pierwszej fazie (A,C,E) oraz w drugiej fazie ruchu (B,D,F)
Ruch w sekwencji 4 polegał na naprzemiennym opuszczaniu i unoszeniu kończyny. Na
początku pierwszej fazy prawa kończyna była wyprostowana w stawie łokciowym i uniesiona
nad głowę oraz lewa wyprostowana i opuszczona wzdłuż ciała. Z tej pozycji prawa kończyna
Parametry kinematyczne wybranych wzorcowych sekwencji ruchowych…
55
poprzez prostowanie w stawie barkowym przy równoczesnym zginaniu, a następnie
prostowaniu w stawie łokciowym była opuszczana do pozycji wyprostowanej, skierowanej
w dół wzdłuż tułowia. W tym samym czasie lewa kończyna poprzez zginanie w stawie
barkowym przy równoczesnym zginaniu, a następnie prostowaniu w stawie łokciowym była
unoszona do góry. W czasie drugiej fazy następował analogiczny powrót kończyn do pozycji
wyjściowej (rys. 3).
Ze względu na różne czasy trwania każdej z trzech prób tej samej sekwencji ruchowej
pojawiła się konieczność wykonania wykresów znormalizowanych czasowo. Umożliwiło to
przedstawienie prób na jednym wykresie oraz ich porównanie. Normalizację uzyskano dzięki
interpolacji danych w funkcji czasu procentowego.
Rys. 3. Schematyczne przedstawienie sekwencji ruchu nr 4
Największą powtarzalność ruchu można zauważyć dla stawu barkowego przy ruchu
odwodzenia/przywodzenia. Ruch zginania/prostowania w pierwszej fazie ma nieznaczne
przesunięcia w czasie oraz różnice. Najmniejsza powtarzalność wystąpiła w ruchu w stawie
łokciowym.
4.3. Wykorzystanie badań kinematyki w opracowaniu aplikacji terapeutycznej
Przeprowadzone badania pozwoliły na opracowanie aplikacji, które będą mogły być
wykorzystane do aktywizacji ruchowej osób wymagających tak przeprowadzonych ćwiczeń
rehabilitacyjnych. Opracowane zakresy ruchów wskazują na miejsca rozmieszczenia
interaktywnych elementów aplikacji. Scenariusz aplikacji wymaga od osoby grającej
wykonywanie ruchów zbliżonych do analizowanych ruchów terapeutycznych.
5. DYSKUSJA I WNIOSKI
Badania miały na celu wskazanie sposobu uzyskania wzorca ruchowego, który ma być
pomocny przy projektowaniu gier terapeutycznych w środowisku wirtualnej rzeczywistości.
Podział sekwencji ruchowych na fazy pozwolił na dokładniejszą analizę zakresu ruchu
w stawach oraz przebiegu kątowego podczas wykonywania ruchów złożonych. Poszczególne
sekwencje są odpowiednie do oceny zakresu ruchu w odpowiednich stawach. Sekwencja nr 1
pozwala na ocenę zakresu przywodzenie/odwodzenia w stawie barkowym, sekwencja nr 2
rotacji w stawie łokciowym, nr 3, 4 oraz 5 mogą być przydatne do oceny zakresu
zginania/prostowania w stawie łokciowym, a sekwencja nr 6 – zginania/prostowania w stawie
nadgarstkowym. Uzyskane wykresy prezentują w większości prawidłowo wykonane
sekwencje ruchowe. Wyjątek stanowi przedstawiony na Rys.4 przebieg kątowy
zginania/prostowania dla lewego stawu łokciowego podczas wykonywania sekwencji
ruchowej nr 4, gdzie różnicą pomiędzy pierwszą a trzecią próbą wynosi 40º. Należałoby
przeprowadzić konsultację z fizjoterapeutą jak dokładnie powinien wyglądać
J. Hajok, J. Jurkojć, P. Wodarski, A. Bieniek, M. Gzik
56
wyselekcjonowany przez niego ruch oraz monitorować jego wykonanie w czasie
przeprowadzenia badania.
Analiza wyników badań może być pomocna przy projektowaniu gier terapeutycznych
w środowisku wirtualnej rzeczywistości, służących do rehabilitacji dzieci z zaburzeniami
neurologicznymi, dostosowanej do ich indywidualnych potrzeb. Wartości kątowe pozwalają
na wskazanie miejsc związanych z umieszczeniem interaktywnych elementów aplikacji, tak
aby można było uruchomić odpowiednie interakcje dopiero po poprawnie wykonanej
sekwencji ruchowej. Zarejestrowane trajektorie ruchu stanowią istotny element podczas
opracowywania scenariuszy aplikacji tak, aby osoba ćwicząca nieświadomie wykonywała
ruchy terapeutyczne.
Wyselekcjonowane przez doświadczoną fizjoterapeutkę sekwencje ruchowe powinny
zostać tak wykorzystane w grach, aby młody użytkownik poprawiał swoją motorykę poprzez
zabawę. Zastosowany w systemie Cave obraz 3D dodatkowo może wpłynąć pozytywnie na
motywację dzieci do wzięcia udziału w rehabilitacji oraz wykonywania większej liczby
powtórzeń ćwiczeń.
LITERATURA
[1] Guberek R., Levin M., Maxime R. : Motor Learning of the upper limb children with
cerebral palsy after virtual and physical ting intervention, International Conference on
virtual rehabilitation, Philadelphia, 2013
[2] Gzik M., Joszko K., Stachowiak E., Wodarski P.: Przykład implementacji systemów
trakingowych oraz systemu cave w procesach rehabilitacyjnych dzieci, Aktualne
Problemy Biomechaniki, nr 7, 2013, s. 59-62
[3] Kyung Kim, Lee Jeongsu, Won-Kyung Song: Kinematic analysis of upper extremity
movement during drinking in hemiplegic subjects, Clinical Biomechanics, vol. 29, 2014,
p. 248-256
[4] MVN User Manual Document MV0319P, Revision D
[5] Wodarski P., Gzik M., Jurkojć J., Michnik R., Bieniek A.: Wyznaczanie zdolności
manipulacyjnych kończny górnych u dzieci z wykorzystaniem Technologii Wirtualnej
Rzeczywistości, Aktualne Problemy Biomechaniki, nr 8, 2014, s. 163-168
KINEMATIC PARAMETERS SELECTED PATTERN MOTION
SEQUENCES USED IN CLINICAL THERAPY
Abstract: The article presents an analysis of ideal motion sequences selected by
experienced physiotherapist. The study was performed using MVN BIOMECH
system. In the analisys range of motion was indicated for wrist, elbow and
shoulder joint for the each selected motion sequence. Additionaly, time
normalised diagrams with division of motion phase were done. Results will be
helpful in projecting therapeutic games in virtual reality environment that can be
used for rehabilitation of children with neurological disorders.